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朱启钤是个老牌官僚，曾经官至国务总理，与赵秉钧、陈宦、梁士诒一起拥戴袁世凯复辟，总揽登基大典事务，他们四个被时人称为“四凶”，名声狼藉。然而朱启钤还不失为一个有事业心的官僚，任职国会参议院期间，他经手修建中山公园，对古代建筑发生了浓厚兴趣。他偶然在南京的江南图书馆发现了宋代古籍李诫的建筑著述《营造法式》，自此决心倾注财力和心血，将余生献给古建筑研究的组织工作。他撰写的《中国营造学社缘起》，认识到，“方今世界大同，物质演进。兹事体大，非依科学之眼光，作有系统之研究，不能与世界学术名家公开讨论”。同时又深感中国古建筑文献大有绝灭之虞，亟需人才发掘弘扬。他创建学社，为的是“绝学大昌，群才致用”。
朱启钤这般深明大义、求贤若渴，梁、林夫妇经再三权衡，终于决定回到北平。朱启钤在天安门内故宫的一角，为学社找了十几间西庑旧朝房作办公用房。梁思成担任学社的研究部主任，位在社长之下，众人之上。林徽因的职务是校理。一九三二年营造学社又请刘敦桢任文献部主任，偏重文献研究，梁思成为法式部主任，重在实地考察。梁思成、林徽因实现了朱启钤的宏愿，朱启钤则成就了梁林的事业。夫妇俩很是感激这位伯乐，梁思成在一九三四年出版的《清式营造则例》序言中特向他表示谢意：“若没有先生给我研究的机会和便利，并将他多年收集的许多材料供我采用，这书的完成即使幸能实现，恐也要推延到许多年月以后。”话是梁思成所说，实为夫妇俩共同的心声。林徽因不仅在实际研究中与丈夫默契合作，而且还执笔撰写了统率全书的第一章“绪论”。
据林洙统计，营造学社在北平期间，除测绘故宫的重要建筑六十余处及市内的安定门、阜成门、东直门、宣武门、崇文门、新华门、天宁寺、恭王府外，还离开北平调查了一百三十七个县市，调查古建筑殿堂房舍一千八百二十三座，详细测绘的建筑二百零六组，完成测绘图稿一千八百九十八张。（林洙著《困惑的大匠梁思成》）
林徽因生下儿子从诫后，身体明显好了起来，力争要与梁思成同行外出考察。五、六年时间里，林徽因的足迹遍及六、七个省份，几乎是不到一年就外出一次长途跋涉。她甚至还到了西北地区距甘肃不远的耀县，东南到了临近福建的宣平。北京八大处，山西大同的华严寺、善化寺及云冈石窟；太原、文水、汾阳、孝义、介休、灵石、霍县、赵县的四十多座寺庙殿阁，河北的正定隆兴寺，苏州的三清殿、云岩寺塔，杭州的六和塔、金华的天宁寺、宣平的延福寺；开封的繁塔、铁塔、龙亭；山东有十一个县，包括历城神通寺和泰安岱庙，以及西安的旧布政司署，陕西的药王庙，处留下了林徽因的身影。这是一条十分漫长的行程。梁思成为《清式营造则例》写序时特别说明：“内子林徽音在本书上为我分担的工作，除‘绪论’外，自开始至脱稿以后数次的增修删改，在照片之摄制及选择，图版之分配上，我实指不出彼此分工区域，最后更精心校读增削。所以至少说她便是这书一半的著者才对。”
他们在北方最后一次考察，也是最为辉煌的一次，数五台山木结构佛光寺的发现。西方的古代建筑基本是石块砌成，经得起风雨侵蚀，雷火毁坏，因此至今留存很多。中国房屋多以砖木构建，当时已不知是否还有唐代木构建筑的存在。日本人曾扬言，要看这样的建筑只有去他们的奈良城。林徽因和梁思成立志要找到中国唐代的木结构建筑，然而这又谈何容易！旧中国没有一份建筑名录，到全国各地去寻找，无异于大海捞针。然而，有志者事竟成，经过辛劳奔波，他们最终发现了珍贵的佛光寺。一九三七年初夏，梁思成、林徽因和学社同仁莫宗江、纪玉堂向五台山进发，山路狭窄崎岖，他们只好骑着驮骡慢慢前行。后来连骡子也不肯走的时候，只得下来牵着它继续前行。步履蹒跚了两天，他们在黄昏中突然望见了夕阳下金光四射的宏伟殿宇，再近看远翘的飞檐，硕大的斗拱，还有柱头、门窗，处处都像唐朝工匠的高超手艺。发现的兴奋顿时使众人浑身的疲惫消失得无影无踪。科学不能只凭直觉，兴奋过后，需要他们艰辛确证。林徽因爬上高悬的大殿脊檩寻找可能的文字依据，通常那里会写下建造年代，这实在是很艰辛而又危险的事。上面一片漆黑，打亮手电，只见檩条盖满了千百只蝙蝠，竟祛之不散。不意间照相时镁光灯闪亮惊飞了蝙蝠，没想到底下还挤满了密密麻麻的臭虫。头几天，他们就这样不停地爬上爬下与蝙蝠、臭虫周旋。终于，林徽因隐约辨出了两丈高的大梁底面有墨迹。费劲地认了半天，仅见到一行字：“女弟子宁公遇”，其余则依旧模糊一片。再费去两天搭了个支架，洗去梁上积得很厚的浮土，林徽因第一个上去，费了三天才读全梁面的题字。原来宁公遇就是捐资建造佛殿的女施主，大殿建于唐朝大中十一年，即公元八五七年。它就是发现的中国现存最早木结构建筑！从此，我们不必再远去日本看别人的东西了。大家的狂喜不言而喻，正是夕阳西下的时刻，殿前庭院里一片灿烂。他们取出本来用作应急的饼干、牛奶和罐头沙丁鱼，倾其所有地欢庆了一顿，再顾不得明后天断餐之忧。
野外考察古建筑的生活是清苦的，他们确实常常担心断餐，穷乡僻壤里能弄到一钵说不清什么做的黑糊糊面条就算幸运。在交通很不发达的当年，行路对人也是一个考验。一切都要靠原始的大车和毛驴，风尘扑面，颠颠簸簸，目的地一般都在很偏远的深山荒野。学社某日考察笔记记载着：“下午五时暴雨骤至，所乘之马颠蹶频仍，乃下马步行，不到五分钟，身无寸缕之干。如是约行三里，得小庙暂避。”又一日记载：“行三公里骤雨至，避山旁小庙中，六时雨止，沟道中洪流澎湃，明日不克前进，乃下山宿大社村周氏宗祠内。终日奔波，仅得馒头三枚（人各一），晚间又为臭虫蚊虫所攻，不能安枕尤为痛苦。”可见有时能宿在大车店已经不算太倒霉，但大车店里起床每人一身虱子。考察的艰辛还在于风险，途中他们要提防土匪的出没；到考察点，测量旧寺古塔，爬上风蚀了数百上千年的顶端，随时都有坠落的可能。梁思成有记述：“今天工作将完时，忽然来了一阵‘不测的风云’，在天晴日美的下午五时前后狂风暴雨，雷电交作。我们正在最上层梁架上，不由得不感到自身的危险。不单是在二百八十多尺高将近千年的木架上，而且近在塔顶铁质相轮之下，电母风伯不见得会讲特别交情。”
这些困难对于寻常人来说已是殊属不易，而林徽因，一个娇嫩的大家闺秀，一个肺结核患者，却经受住了艰苦的洗礼。不敢相信，她会和男子一样，餐风宿雨，爬梁上柱。正是在这样的境地，林徽因显示出她的坚忍、刚毅以及对理想的执着。翻遍她关于考察古建筑的全部文字，我们无法找到她抱怨工作环境艰苦的片言只语。下面这段心底溢出的倾诉，有如阳光般明媚：
我们因为探访古迹走了许多路；在种种情形之下感慨到古今兴废。在草丛里读碑碣，在砖堆中间偶然碰到菩萨的一只手一个微笑，都是可以激动起一些不平常的感觉来的。乡村的各种浪漫的位置，秀丽天真；中间人物维持着老老实实的鲜艳颜色，老的扶着拐杖，小的赤着胸背，沿路上点缀的，尽是他们明亮的眼睛和笑脸。由北平城里来的我们，东看看，西走走，夕阳背在背上，真和掉在另一个世界里一样！云块，天，和我们之间似乎失掉了一切障碍。我乐时就高兴的笑，笑声一直散到对河对山，说不定哪一个林子，哪一个村落里去！我感觉到一种平坦，竟许是辽阔，和地面恰恰平行着舒展开来，感觉的最边沿的边沿，和大地的边沿，永远赛着向前伸
（《山西通信》）
既如此热忱投身古建筑的研究，她当然获得了丰硕的回报。林徽因是中国第一位建筑学女教授，第一位女建筑师，又是唯一登上天坛祈年殿宝顶的女建筑师。。梁思成的建树，若没有林徽因的奉献是不可想象的。他坦然地承认：“我不能不感谢徽因，她以伟大的自我牺牲来支持我。”林徽因不仅仅是丈夫的助手，她一直是和梁思成完全站在同一平台上切磋、合作的。有位诗人认为：林徽因“实际上却是他（梁思成）灵感的源泉”。（卞之琳文《窗子内外：忆林徽因》）梁思成和林徽因常常为一个看法，乃至一个词语表达争论不休。在中国现代建筑学史上，素来梁、林并称，两人你中有我，我中有你，不可或分。
一般人或许只从林徽因的文学作品中感知她非凡的才华，其实，她在建筑研究领域里的建树一样非常突出。是她首先敏锐地留意到佛光寺梁上的字迹，为确证寺庙的年代提供了铁证。坐着开往太原的列车经过榆次，她在窗口单单那么无意地一瞥，便察觉到远处的雨花宫非同寻常。后来的考察结果证实，它是一座建于公元一零零八年宋代初期的建筑，是古建中简洁结构的重要例证，体现了中国建筑风格由唐到宋的过度，在建筑史上有着极其特殊的地位。
林徽因的文学才华，使她有能力将容易枯燥乏味的建筑论文变得灵气生动，富有文采，有些篇章是可以当作散文来阅读的。比如《晋汾古建筑预查纪略》的开头：
去夏乘暑假之便，作晋汾之游。汾阳城外峪道河，为山右绝好消夏的去处；地据北彪山麓，因神头有“马跑神泉”，自从宋太宗的骏骑蹄下踢出